KR101277786B1 - 풍력발전타워 벽단면 구조 - Google Patents

풍력발전타워 벽단면 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전타워 벽단면 구조에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 내부에 중공을 형성하면서 이를 구속하도록 하여 강성 및 연성이 우수하고, 자중을 감소시켜 재료 및 시공적으로 우수하며, 유닛화에 의한 조립시공에 의해 공기를 단축할 수 있는 풍력발전타워 벽단면 구조를 제시한다.

Description

풍력발전타워 벽단면 구조{WALL SECTION STURUCTURE SECTIONAL STRUCTURE OF WIND POWER GENERATION TOWER}
본 발명은 풍력발전타워 벽단면 구조에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 내부에 중공을 형성하면서 이를 구속하도록 하여 강성 및 연성이 우수하고, 자중을 감소시켜 재료 및 시공적으로 우수하며, 유닛화에 의한 조립시공에 의해 공기를 단축할 수 있는 풍력발전타워 벽단면 구조를 제시한다.
일반적으로 풍력발전타워는 풍력발전기의 주요 구조물로서 로터 블레이드와 나셀을 지탱하는 구조물이며, 주로 강관으로 제작되고 있다. 특히, 대형 강관의 풍력발전타워는 많은 용접 과정을 거쳐서 복잡한 제작공정을 통해 만들어지고 있다.
즉, 대형 강관의 풍력발전타워를 제작함에 있어서는, 자중 등에 의해 시공성이 현격히 저하되는 문제점이 있다. 더욱이 이러한 대형 강관에 의한 풍력발전타워는 해상에 많이 설치되고 있는 추세인 바, 부식과 같은 내구성의 문제에 노출된다.
한편 이러한 대형 풍력발전타워는 발전기 용량이 증가함에 따라 블레이드의 길이가 길어지며, 이러한 블레이드와 나셀을 지지하는 타워의 규모가 더욱더 커지고 있다. 이렇게 풍력발전타워가 커지면서 그만큼 수직하중 뿐만 아니라 횡하중, 그리고 휨모멘트 등에 대해서도 저항할 수 있도록 설계되어야 한다.
종래, 강관의 경우 이러한 대형의 풍력발전타워를 시공함에 있어 단면이 커져 자중이 증가하고 이러한 자중의 증가는 시공의 비용이성 비경제성 등의 문제가 대두되는 것은 당연하다.
이에 본 발명은 상기 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대형의 풍력발전타워를 시공함에 있어 자중을 감소시켜 시공 및 비용 경제성을 도모하면서도 강성 및 연성이 우수하도록 하는 풍력발전타워 벽단면 구조를 제시하고자 함이다.
본 발명의 풍력발전타워 벽단면 구조는 하단에서 상단으로 너비가 좁아지는 형상의 콘크리트부; 상기 콘크리트부의 내부에 하나 이상 형성되는 중공부; 상기 중공부의 내주연에 부착되며 강 또는 FRP로 형성되는 내관부;를 포함하여 구성되어 내관부의 내부구속에 의해 해상에 설치되는 풍력발전타워에 있어서 고강도 및 고연성이 발휘될 수 있도록 함에 특징이 있다.
이렇게 본 발명은 하단에서 상단으로 너비가 좁아지는 형상의 콘크리트부를 구성함에 있어 휨 등에 있어 기여도가 적은 내부에 중공부를 형성하도록 하여 재료 및 자중을 저감시키면서 중공부를 내관부에 의해 구속시킴은 물론 상기 콘크리트부의 외주연에도 강 또는 FRP로 형성되는 하우징부가 더 구성되도록 하여 내,외부에서 콘크리트부를 구속시킴으로써 강성 및 연성을 배가시킬 수 있게 되는 것이다. 더욱이 상기 하우징부를 FRP재질로 구성함에 따라 콘크리트의 염분에 의한 열화를 방지할 수 있어 구조적 안정성을 도모할 수 있게 된다.
즉 최근 풍력발전타워가 대형화되면서 더 큰 휨모멘트와 횡변위를 수용할 수 있는 풍력발전타워 벽단면 구조가 요구되고 있는 바, 큰 휨모멘트에 견딜 수 있도록 하기 위해서 내부에 중공이 형성되어 자중이 감소되는 다면을 채택하고, 이러한 중공에 의한 연성능력의 저하를 하우징부 및 내관부에 의해 구속함으로써 취성파괴를 방지하도록 하는 것이다. 또한, 이러한 구조에 기해 국부적인 좌굴도 방지할 수 있게 된다.
한편 이러한 구조를 가진 풍력발전타워 벽단면 구조는 일체형으로 구성될 수 있으나, 상,하로 복수의 유닛에 의해 조립되는 구조로 구성되어 각각의 유닛간을 조립,체결하도록 함으로써 각각의 유닛을 프리캐스트화 하여 현장에서 용이하게 조립시공이 가능하도록 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 콘크리트부를 내관부로 구속함에 의해 3축압축하중상태를 만드는 벽단면 구조를 사용하여 풍력발전타워를 시공함으로써 휨모멘트에 대한 강성을 향상시키고, 이에 따라 단면, 자중이 감소되어 시공 및 조립시공이 용이한 효과가 있다.
둘째, 중공부에 의한 콘크리트 사용량 감소, 단면의 감소, 거푸집의 불필요, 철근사용 불필요, 이에 따른 인건비 절약 등 경제적으로 유리한 효과가 있다.
셋째, 수중 등 부식성환경하에서 내,외관부을 FRP 등으로로 대체할 수 있으므로 유지,보수에 유리하며, 또한 FRP 등으로 구성하는 경우 자중이 감소하는 효과가 있다.
도 1 본 발명에 따른 풍력발전타워 벽단면 구조의 기본 예를 나타내는 사시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 풍력발전타워 벽단면 구조의 실시 예를 나타내는 측단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 풍력발전타워 벽단면 구조의 실시 예를 나타내는 평면도.
도 4 내지 도 7b는 본 발명에 따른 풍력발전타워 벽단면 구조의 실시 예를 나타내는 개략도.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 구성인 간격유지구가 하우징부 및 내관부에 설치된 상태를 나타내는 측단면도 및 평면도
이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도 1 내지 8b에 의해 실시 예를 들어 상세하게 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이 상기 내관부(13)는 콘크리트부(12)의 중공부(14) 내면에 설치되어 상기 콘크리트부(12)를 구속하므로 상기 콘크리트부(12)가 3축 압축하중하에 있게 한다. 이렇게 함으로서 콘크리트부(12)의 중공부(14)를 형성함에 의해 자중을 감소시켜 시공을 용이하게 함에 따라 부수적으로 발생할 수 있는 콘크리트부(12)의 중공부(14)단면의 취성파괴를 방지하고, 상기 내관부(13)의 삽입으로 휨모멘트에 대한 강성을 보강함은 물론 이로 인하여 단면, 자중을 감소시킴으로 이하에서 설명할 복수의 프리캐스트 유닛으로서 풍력발전타워 벽단면 구조를 사용하는 것이 바람직하게 되는 것이다.
한편 도 3a에 도시된 바와 같이 풍력발전타워 벽단면 구조는 내관부(13) 및 콘크리트부(12)만을 구성한 예가 제시되는데, 이 경우 콘크리트부(12)에 종방향철근(S2) 및 횡방향철근(S1)을 더 보강하여 상기 내관부(13)의 구속력과 종방향철근(S2) 및 횡방향철근(S1)의 보강력에 의해 벽단면구조를 형성할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 풍력발전타워 벽단면 구조는 콘크리트부(12)에 있어 중공부(14)의 내주연에서 내관부(13)가 구속하며, 콘크리트부(12)의 외주연에서 하우징부(11)가 구속하도록 하여 강성 및 연성을 보강할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우에도 도면에 도시된 바는 없으나, 콘크리트부(12)에 종방향철근(S2) 및 횡방향철근(S1)이 더 보강될 수 있음은 당연하다. 도 3b에서는 하우징부(11)의 단면형상이 사각형상을 도시하고 있으나, 이는 풍력발전타워 벽단면 구조 즉 콘크리트부(12)의 형상에 따라 다양하게 구성될 수 있음은 당연하다. 이렇게 내관부(13) 및 하우징부(11)를 구성하는 경우 내관부(13) 및 하우징부(11) 자체를 거푸집으로 사용할 수 있으므로 현장시공 및 프리캐스트 부재 제작시 용이한 장점이 있다.
상기 내관부(13) 및 하우징부(11)는 강으로 구성하여 휨모멘트에 대한 강성을 확보하는 것이 바람직할 수도 있으나, 경우에 따라서 부식성환경에 따른 저항성을 향상시키기 위해 내부식성 및 연성능력을 가진 FRP로 구성할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 FRP는 보강재료를 첨부하여 CFRP(Carbon), AFRP(Aramid), GFRP(Glass) 등을 사용하여 현장 시공여건에 맞는 재료를 선택적으로 사용함이 타당하며 또한 부수적으로 상기 FRP 등을 사용함에 의해 자중을 감시시켜 시공을 용이하게 할 수 있는 기능을 발휘한다.
한편 상기 중공부(14)는 상기 콘크리트부(12)를 관통하는 구조로서 도 2a에서 제시하는 중공부(14a)는 원형관 형상으로 이에 따라 내관부(13a)도 원형관 형상으로 구성될 수 있다.
또한, 도 2b에서 제시하는 중공부(14b)는 하단에서 상단으로 직경이 작아지는 형상으로 구성될 수 있는 바, 이에 따라 내관부(13b)도 하단에서 상단으로 직경이 작아지는 형상으로 구성될 수 있다. 이렇게 중공부(14b) 및 내관부(13b)를 구성함에 따라 강성 및 연성에 영향없이 콘크리트부(12)의 재료 및 자중을 감소시킬 수 있어 시공 및 경제성면에서 우수하나, 내관부(13)의 형상을 성형함에 있어서는 다소 도 2a에 도시된 내관부(13a)가 유리할 것이다. 따라서 이러한 형상은 필요에 따라 선택적으로 구성할 수 있음은 당연하다.
한편 본 발명의 풍력발전타워 벽단면 구조는 도 4 내지 도 7b에서 보는 바와 같이 상,하로 유닛(a)화 하여 조립,체결에 의해 벽단면 구조를 완성할 수 있다. 본 발명에서는 각각의 유닛(a)을 체결하는 구조에 있어 4가지 실시 예를 제시한다. 여기서 각각의 유닛(a)도 하우징부(11), 콘크리트부(12), 내관부(13) 및 중공부(14)로 구성됨은 당연하다. 단, 전체 풍력발전타워 벽단면 구조 자체가 하단에서 상단으로 좁아드는 형상으로 구성되는 바, 하단의 유닛(a) 상면 보다 상단의 유닛(a) 상면이 그 폭에 있어 작게 구성되어야 한다.
첫번째 실시 예가 도 4에 도시되는 바, 풍력발전타워 벽단면 구조를 형성하는 각각의 유닛(a)에 있어 콘크리트부(12)에는 상, 하부의 유닛(a)에 상호 대향하는 복수의 정착공(15)이 형성되며, 상기 정착공(15)에 안치되는 막대형 부재(20)와 상기 정착공(15)에서 상기 막대형부재(20)를 고정시키는 그라우트(30)가 구성되어 상,하 유닛(a) 간에 조립되도록 하는 것이다. 즉 각각의 상,하 유닛(a)에 있어 대향하는 정착공(15)에 막대형 부재(20)가 삽입되고, 각각의 정착공(15)과 막대형 부재(20)사이에 그라우트(30)가 굳으면서 유닛(a) 간에 부착 조립이 되는 것이다.
상기 같은 부착을 더욱 강결하게 하기 위해서 상기 막대형 부재(20)를 도 4에서 보는 바와 같이 몸통부(21)와 양 끝단에 상기 몸통부보다 굵은 굵기로 머리부(22)를 형성하여 상기 정착공(15)에 상기 막대형 부재(20)를 삽입하여 그라우트(30)의 주입에 의해 부착할시 머리부(22)의 걸림턱에 의해 강결하게 부착되도록 구성하는 것이 바람직하며, 상기 막대형 부재(20)는 강봉 등으로 구성하는 것이 타당하고, 각각의 유닛(a)의 접합부(J)에 발생하는 휨모멘트에 따라 그 두께 및 길이를 조절하여 구성함이 타당하다.
상기 막대형 부재(20)의 수 및 각각의 정착공(15)의 수 또한 각각의 유닛(a)의 접합부(J)에 발생하는 휨모멘트에 따라 그 수를 조절하여 구성함이 타당하다.
상기 그라우트(30)는 상기 막대형 부재(20)를 상기 각각의 정착공(15)에 부착시키는 것은 물론, 막대형 부재(20)로 강봉 등을 사용하는 경우 녹스는 것을 방지하는 용도로도 사용되는 것으로서 시멘트풀 또는 모르터로 구성되며, 각각의 정착공(15)의 구석구석에 충전되어야 하므로 적당한 유동성과 팽창성을 구비하는 것이 타당하다.
한편 본 발명의 다른 실시 예가 도 5에 도시되고 있다. 본 실시 예에서는 각각의 유닛(a)에 있어 하우징부(11) 및 내관부(13)의 상,하단에 플랜지를 구성하여 각각 대향하는 플랜지에 볼트결합을 통해 체결하도록 하는 것이다. 이를 더욱 상세히 설명하면 각각의 유닛(a)의 상,하단 외측둘레에 복수의 외측체결공(41a)을 형성하는 외측플랜지(40a)와, 상기 외측플랜지 (40a)간을 체결하는 체결구로서 볼트결합(42a)이 구성되어 상,하 유닛(a) 간에 조립되도록 하는 것이다.
이에 더하여 각각의 유닛(a)에 있어 내관부(13) 상,하단 내측둘레에 복수의 내측체결공(41b)을 형성하는 내측플랜지(40b)와, 상기 내측플랜지(40b) 간을 체결하는 체결구로서 볼트결합(42b)이 더 구성되어 상,하 유닛(a) 간에 조립되도록 할 수 있다.
상기와 같이 각각의 유닛(a)의 상,하면 둘레에 부착되는 플랜지(40a, 40b)는 내부가 중공인 판모양으로 단면형태는 각각의 하우징부(11) 및 내관부(13)의 단면형태에 따라 원,사각형 등으로 구성할 수 있으며, 플랜지(40a, 40b)는 하우징부(11) 및 내관부(13)의 상,하단 외,내측면에 용접에 의해 부착하거나, FRP 등으로 구성된 경우에는 본드부착에 의해 부착할 수 있다.
한편 다른 실시 예가 도 6에 도시되고 있다. 본 실시예에서는 각각의 유닛(a)에 있어 상,하 유닛(a)의 접합부(J)로서 내,외주연에 판형상의 내,외측받침대(50)가 부착되어 상,하 유닛(a) 간에 조립되도록 하는 것이다. 이를 상세히 설명하면 각각의 유닛(a) 상호간에 있어 그 접합부(J)로서 외측둘레에 판모양으로 부착된 외측받침대(50a)로 구성하고, 내측둘레에 판모양으로 부착된 내측받침대(50b)로 구성하여 유닛(a) 상호간의 접합부(J)의 취성거동을 방지함이 타당하다.
상기 각각의 받침대(50)는 각각의 유닛(a) 상호간의 접합부(J)의 외측,내측둘레에 하우징부,내관부가 강으로 구성된 경우 용접에 의해 부착하고, 하우징부,내관부가 FRP 등으로 구성된 경우 본드부착에 의해 부착함으로서 유닛(a) 상호간의 접합부(J)의 취성거동을 방지하는 것이다.
한편 다른 실시 예가 도 7a에 도시되고 있다. 본 실시 예에서는 각각의 유닛(a)에 있어 상,하 유닛(a)의 접합부(J)에는 H형상의 단면을 갖는 커넥터(60)가 게재되어 상,하 유닛(a) 간에 조립되도록 하는 것이다. 이를 더욱 상세히 설명하면 상기 커넥터(60)는 단면이 H형상으로 상면에 상끼움홈(61)이 구성되어 상부에 적층되는 유닛(a)의 하단이 삽입되도록 하는 것이며 그 하면에 하끼움홈(62)이 구성되어 하부에 적층되는 유닛(a)의 상단이 삽입되도록 하는 것이다. 이렇게 상,하부 유닛(a)이 상기 커넥터(60)에 삽입됨으로서 외측지지테두리(63)에 의해 각각의 유닛(a)에 있어 접합부(J)부분의 하우징부(11)가 지지되도록 하며 내측지지테두리(64)에 의해 내관부(13)가 지지되도록 하는 것이다.
상기 커넥터(60)는 각각의 유닛(a) 상호간의 접합부(J)에서 하우징부,내관부가 강으로 구성된 경우 용접에 의해 부착하고, 하우징부,내관부가 FRP 등으로 구성된 경우 본드부착에 의해 부착함으로서 유닛(a) 상호간의 접합부(J)의 취성거동을 방지하는 것이다.
한편 본 발명에서는 커넥터(60)의 다른 실시 예가 도 7b에서 도시되고 있는데 도 7b에 도시되는 커넥터(60)도 도 7a에 도시되는 커넥터(60)와 같이 상끼움홈(61), 하끼움홈(62), 외측지지테두리(63) 및 내측지지테두리(64)가 구성됨은 동일하고, 단 다른 구성으로 상끼움홈(61)에 복수의 상돌출돌기(65)가 구성되고, 하끼움홈(62)에 복수의 하돌출돌기(66)가 구성되며, 그 내부에 외측지지테두리(63)로부터 상돌출돌기(65) 및 하돌출돌기(66)로 관통하는 주입로(67)가 구성된다. 이렇게 구성됨에 의해 각각의 유닛(a)에는 상돌출돌기(65) 및 하돌출돌기(66)와 대향하는 정착공(15)이 형성되도록 하며 상기 주입로(67)를 통해 그라우트(30)를 주입함으로써 상돌출돌기(65) 및 하돌출돌기(66)가 정착공(15)에 삽입된 상태에서 그라우트(30)가 밀실하게 충진되어 견고한 접합부(J) 부착이 가능하게 되는 것이다.
한편 본 발명에 있어서는 도 8a 및 도 8b에서 보는 바와 같이 상기 내관부(13)와 상기 하우징부(11) 사이에 복수의 간격유지구(70)가 구성됨이 타당하다. 이렇게 간격유지구(70)를 구성하는 것은 본 발명의 현장시공 또는 프래캐스트 부재 제작시 상기 내관부(13) 및 상기 하우징부(11)를 거푸집으로 사용하여 기 설치후 상기 내관부(13) 및 상기 하우징부(11) 사이에 콘크리트를 타설함으로써 콘크리트부(12) 및 중공부(14)가 형성되도록 할 수 있다. 이를 위해서는 상기 내관부(13) 및 상기 하우징부(11) 사이에 간격유지구(70)를 구성하여 거푸집으로서의 틀을 형성하도록 함이 콘크리트 타설과정에서 하중 등에 의해 형상변형을 방지할 수 있도록 할 수 있다. 이에 더하여 상기 간격유지구(70)는 콘크리트 타설 후에 이질의 재질로서 상기 내관부(13) 및 상기 하우징부(11)와 콘크리트부(12)의 부착력을 향상시키는 전단연결재로서 기능을 할 수 있다.
이상 설명된 내용은 본 발명의 실시 예에 의하여 일례로 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서에 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
11 하우징부 12 콘크리트부
13 내관부 14 중공부

Claims (11)

  1. 하단에서 상단으로 너비가 좁아지는 형상의 콘크리트부;
    상기 콘크리트부의 내부에 하나 이상 형성되는 중공부; 및
    상기 중공부의 내주연에 부착되며 강 또는 FRP로 형성되는 내관부를 포함하여 구성되는 풍력발전타워 벽단면 구조를 특징으로 하되,
    상기 콘크리트부의 외주연에는 강 또는 FRP로 형성되는 하우징부가 더 구성됨을 특징으로 하고,
    상기 풍력발전타워 벽단면 구조는 상,하로 복수의 유닛에 의해 조립되는 구조로 구성되되,
    각각의 유닛에 있어 상,하 유닛의 접합부에는 H형상의 단면을 갖는 커넥터가 게재되어 상,하 유닛 간에 조립되며,
    상기 커넥터는 H형상의 단면으로, 상면에 상끼움홈 및 하면에 하끼움홈이 구성되고, 상기 상끼움홈에 복수의 상돌출돌기 및 상기 하끼움홈에 복수의 하돌출돌기가 구성되며, 그 내부에 상기 상돌출돌기 및 상기 하돌출돌기로 관통되는 주입로가 구성되되,
    각각의 유닛에 있어 콘크리트부에는 상, 하면에 각각 상기 상돌출돌기 및 상기 하돌출돌기와 대향하는 복수의 정착공이 형성되고, 상기 주입로를 통해 상기 정착공에 충진되는 그라우트가 구성되어 상,하 유닛 간에 조립됨을 특징으로 하는 풍력발전타워 벽단면 구조.
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